EP2839499B1 - Funkenstrecke - Google Patents

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EP2839499B1
EP2839499B1 EP12729934.5A EP12729934A EP2839499B1 EP 2839499 B1 EP2839499 B1 EP 2839499B1 EP 12729934 A EP12729934 A EP 12729934A EP 2839499 B1 EP2839499 B1 EP 2839499B1
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EP
European Patent Office
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spark gap
anode
useful
cathode
pressure
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Timothy Hughes
Jennifer SIRTL
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08—Electrical details

Definitions

  • the invention relates to a spark gap with an anode and a cathode.
  • a spark gap of the type specified is, for example, in the DE 2 259 382 described.
  • This is an X-ray source which uses a spark gap to generate X-radiation.
  • the spark gap consists of an anode and a cathode, wherein the anode is used as a target for the generation of the X-radiation.
  • the X-radiation is produced when an arc is ignited in the spark gap, which excites the target to emit X-ray radiation.
  • a spark gap can be divided into a high pressure spark gap and a useful spark gap which are interconnected by a center piece.
  • the useful spark gap is formed between the center piece and an anode, wherein the center piece and the anode are connected to one another via an electrical resistor.
  • Such an arrangement is also in the post-published WO 2013/178292 A1 described, wherein the high-pressure spark gap and the Nutz-spark gap are housed in a common housing.
  • the object of the invention is therefore to provide a spark gap with which a possible defined ignition point can be realized.
  • the spark gap has a high-pressure spark gap and a useful spark gap, which are connected by a center piece.
  • the spark gap between the cathode and the center piece is formed.
  • the middle piece is connected to the anode via a line in which an electrical resistance is provided.
  • the useful spark gap is formed between the middle piece and the anode.
  • the arrangement of the high-pressure spark gap and the useful spark gap is a series connection. However, the middle piece is over the resistance with the anode connected. To ignite the useful spark gap, a rising voltage is applied to the entire arrangement. Since the high-pressure spark gap is filled with a gas which is under high pressure, a comparatively high flashover potential is ensured here. While the voltage rises, there is still no switching-relevant differential potential at the useful spark gap, since this is connected to the center piece, which at this time equates to a connection to ground. As soon as the comparatively defined switching point of the high-pressure spark gap is reached, it ignites. The breakdown in the high-pressure spark gap then forms an arc which equates to a low-impedance connection of the cathode to the center piece.
  • the resistance is 100 to 1000 M ⁇ . This ensures that a switching of the useful spark gap takes place, because the applied voltage can not be reduced due to the high resistance via the line that connects the center piece with the anode.
  • the useful spark gap is provided for generating X-radiation.
  • the anode is used as the target for generating the X-ray radiation.
  • the X-ray radiation can be made available at a defined time switching point. This is an important requirement for various applications.
  • the X-ray radiation can be used for imaging methods - for example in a flash X-ray source.
  • monochromatic X-ray radiation can be generated with the anode.
  • Monochromatic X-ray radiation can be produced, for example, if a very thin metal foil, for example made of aluminum or another light metal, is used as the target.
  • the lanthanides can also be used as the target material.
  • the metals and their alloys are to be referred to, whose density is below 5 g / cm 3 .
  • this definition applies to the following light metals: all alkali metals, all alkaline earth metals except radium, as well as scandium, yttrium, titanium and aluminum.
  • Other advantageous material groups for forming the target are tungsten, molybdenum and the group of lanthanides. Specifically, this is the element lanthanum, the 14 elements following the lanthanum in the periodic table.
  • the useful spark gap is housed in an evacuable housing, in which a transparent window for X-ray radiation is provided and from which the X-ray radiation can be coupled out.
  • the collector serves to electrostatically decelerate the electron current accelerated by the anode, thereby depriving it of kinetic energy so far that when the electrons strike the collector, the kinetic energy is below the level required to produce bremsstrahlung. In this way, the parasitic generation of broadband Bremsstrahlung is avoided, which would otherwise superimpose the monochromatic, characteristic radiation generated by the anode.
  • the anode, the middle piece and the cathode are arranged coaxially. Moreover, it is advantageous if the anode, the center piece and the cathode are formed centrally symmetrical to the common axis. As a result, the formation of inductances is minimized, which would adversely affect the temporal pulse behavior of the spark gaps (rise time of the pulse current).
  • FIG. 1 the structure of the spark gap according to the invention becomes clear.
  • This has an anode 11 and a cathode 12. Between the anode 11 and the cathode 12, a center piece 13 is connected, so that two spark gaps, namely a high-pressure spark gap 14 and a useful spark gap 15, arise.
  • the center piece 13 forms the cathode.
  • filling gases for the high-pressure spark gap noble gases can be used as filling gases.
  • the high-pressure spark gap shows the defined switching behavior 18, wherein at a defined voltage increase U with known slope of the switching point is reached after a defined time t. With the switching point (t s / U s ), the switching time of the useful spark gap can be predicted relatively accurately.
  • the center piece 13 has cathode potential in the switching instant of the spark plug 14.
  • the resistor 17 is now the full voltage between the cathode and anode.
  • a current defined by the resistance of resistor 17 flows through the resistor.
  • the parasitic inductances of the resistor 17 additionally reduce the system-related current flow through the resistor 17. Due to the steep rise in voltage between the intermediate piece 13 and the anode 11, the rollover behavior of the useful spark gap 15 is influenced so positively that at the rollover time of the useful spark gap 15 a significantly higher voltage is applied than would be possible by a conventional ignition with a low voltage gradient.
  • the circuit of the useful spark gap 15 at time t s is approximately t 0 , since the voltage rise is extremely steep due to the low inductance of the arrangement.
  • the necessary switching potential U s of the useful spark gap 15 is significantly exceeded by the extremely steep voltage gradient.
  • the arrangement of the anode 12, the center piece 13, the cathode 11 and a collector 21 is constructed coaxially.
  • all these components are also centrally symmetrical to the common axis 22 of the coaxial structure.
  • the high-pressure spark gap is housed in a first housing 23, wherein the first housing can be filled with a suitable working gas with the required pressure (filling device not shown in detail).
  • the useful spark gap 15 is located together with the collector 21 in a second housing 24 which is evacuated.
  • This second housing also has a window 25, can be coupled by the X-ray radiation 26 from the housing and fed to an application.

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  • X-Ray Techniques (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit einer Anode und einer Kathode.
  • Eine Funkenstrecke der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise in der DE 2 259 382 beschrieben. Hierbei handelt es sich um eine Röntgenstrahlungsquelle, die zur Erzeugung von Röntgenstrahlung eine Funkenstrecke verwendet. Die Funkenstrecke besteht aus einer Anode und einer Kathode, wobei die Anode als Target für die Erzeugung der Röntgenstrahlung zum Einsatz kommt. Die Röntgenstrahlung entsteht, wenn ein Lichtbogen in der Funkenstrecke gezündet wird, der das Target zur Aussendung der Röntgenstrahlung anregt.
  • Gemäß der DE 21 00 447 A1 ist es offenbart, dass eine Funkenstrecke in eine Hochdruck-Funkenstrecke und eine Nutz-Funkenstrecke unterteilt werden kann, welche durch ein Mittelstück miteinander verbunden sind. Dabei ist die Nutz-Funkenstrecke zwischen dem Mittelstück und einer Anode ausgebildet, wobei das Mittelstück und die Anode über einen elektrischen Widerstand miteinander verbunden sind. Eine solche Anordnung ist auch in der nachveröffentlichten WO 2013/178292 A1 beschrieben, wobei die Hochdruck-Funkenstrecke und die Nutz-Funkenstrecke in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
  • Für die Anwendung der Röntgenstrahlung ist es wünschenswert, wenn die Funkenstrecke einen möglichst definierten Zündpunkt hat. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Funkenstrecke anzugeben, mit der sich ein möglichst definierter Zündpunkt verwirklichen lässt.
  • Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Funkenstrecke erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Funkenstrecke eine Hochdruck-Funkenstrecke und eine Nutz-Funkenstrecke aufweist, welche durch ein Mittelstück miteinander verbunden sind. Dabei ist die Funkenstrecke zwischen der Kathode und dem Mittelststück ausgebildet. Das Mittelstück ist über eine Leitung, in der ein elektrischer Widerstand vorgesehen ist, mit der Anode verbunden. Die Nutz-Funkenstrecke ist zwischen dem Mittelstück und der Anode ausgebildet. Diese Anordnung erlaubt vorteilhaft einen sehr definierten Zündpunkt, wobei dieser durch folgenden Zündmechanismus gewährleistet ist.
  • Bei der Anordnung der Hochdruck-Funkenstrecke und der Nutz-Funkenstrecke handelt es sich um eine Serienschaltung. Allerdings ist das Mittelstück über den Widerstand mit der Anode verbunden. Zum Zünden der Nutz-Funkenstrecke wird an die gesamte Anordnung eine steigende Spannung angelegt. Da die Hochdruck-Funkenstrecke mit einem Gas gefüllt ist, welches unter einem hohen Druck steht, ist hier ein vergleichsweise hohes Überschlagspotential gewährleistet. Während die Spannung steigt, liegt an der Nutz-Funkenstrecke noch kein schaltrelevantes Differentialpotential an, da diese mit dem Mittelstück verbunden ist, was zu diesem Zeitpunkt einem Anschluss an Masse gleichzusetzen ist. Sobald der vergleichsweise definierte Schaltpunkt der Hochdruck-Funkenstrecke erreicht ist, zündet diese. Bei dem Durchschlag in der Hochdruck-Funkenstrecke bildet sich dann ein Lichtbogen aus, der einer niederimpedanten Verbindung der Kathode mit dem Mittelstück gleichkommt. Damit liegt an der Nutz-Funkenstrecke schlagartig ein Potential an, das deutlich über dem nötigen Zündpotential der Nutz-Funkenstrecke liegt. Diese zündet daher zuverlässig zum definierten Zeitpunkt aufgrund der in Gang gesetzten Kettenreaktion. Durch das Zünden der Hochdruck-Funkenstrecke steht die notwendige Spannung nämlich augenblicklich zur Verfügung (die Steilheit des zeitlichen Spannungsverlaufs ist ausgesprochen hoch).
    Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Widerstand 100 bis 1000 MΩ. Hierbei ist gewährleistet, dass ein Schalten der Nutz-Funkenstrecke erfolgt, da die anliegende Spannung aufgrund des hohen Widerstandes nicht über die Leitung abgebaut werden kann, die das Mittelstück mit der Anode verbindet.
  • Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nutz-Funkenstrecke zur Erzeugung von Röntgenstrahlung vorgesehen ist. Als Target zur Erzeugung der Röntgenstrahlung kommt die Anode zum Einsatz. Damit kann die Röntgenstrahlung zu einem definierten Zeitschaltpunkt zur Verfügung gestellt werden. Dieses ist eine wichtige Voraussetzung für verschiedene Applikationen. Beispielsweise kann die Röntgenstrahlung für bildgebende Verfahren zum Einsatz kommen - zum Beispiel in einer Blitz-Röntgenstrahlungsquelle. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit der Anode monochromatische Röntgenstrahlung erzeugbar ist. Wird zur Erzeugung der monochromatischen Röntgenstrahlung eine Nutz-Funkenstrecke verwendet, so kann zur Erzeugung vorteilhaft ein genügend hoher Puls zur Verfügung gestellt werden, damit monochromatische Röntgenstrahlung in einem für die verfolgten Untersuchungszwecke genügenden Umfang zur Verfügung gestellt wird. Monochromatische Röntgenstrahlung lässt sich beispielsweise erzeugen, wenn als Target eine sehr dünne Metallfolie beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen Leichtmetall verwendet wird. Als Targetmaterial können auch die Lanthanoide verwendet werden. Als Leichtmetalle im Sinne der Anmeldung sollen die Metalle und deren Legierungen bezeichnet werden, deren Dichte unterhalb von 5 g/cm3 liegt. Im Einzelnen trifft diese Definition auf folgende Leichtmetalle zu: alle Alkalimetalle, alle Erdalkalimetalle außer Radium, außerdem Scandium, Yttrium, Titan und Aluminium. Andere vorteilhafte Werkstoffgruppen zur Ausbildung des Targets sind Wolfram, Molybdän und die Gruppe der Lanthanoide. Im Einzelnen handelt es sich dabei um das Element Lanthan die 14 im Periodensystem auf das Lanthan folgenden Elemente. Um eine Röntgenstrahlungsquelle technisch zu realisieren, ist die Nutz-Funkenstrecke in einem evakuierbaren Gehäuse untergebracht, in dem auch ein für Röntgenstrahlung transparentes Fenster vorgesehen ist und aus dem die Röntgenstrahlung ausgekoppelt werden kann. Der Kollektor dient dazu, den durch die Anode beschleunigten Elektronenstrom elektrostatisch abzubremsen und ihm damit die kinetische Energie so weit zu entziehen, dass beim Aufprall der Elektronen auf den Kollektor die kinetische Energie unterhalb des Nieveaus ist, die für die Erzeugung von Bremsstrahlung erforderlich ist. Auf diese Weise wird die parasitäre Erzeugung von breitbandiger Bremsstrahlung vermieden, die sonst die von der Anode erzeugte monochromatische, charakteristische Strahlung überlagern würde.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Anode, das Mittelstück und die Kathode koaxial angeordnet sind. Vorteilhaft ist es überdies, wenn die Anode, das Mittelstück und die Kathode zentralsymmetrisch zur gemeinsamen Achse ausgebildet sind. Hierdurch wird die Ausbildung von Induktivitäten minimiert, die das zeitliche Pulsverhalten der Funkenstrecken (Anstiegszeit des Pulsstromes) negativ beeinflussen würden.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
    • Figur 1
    schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Funkenstrecke mit einer Darstellung des Schaltvorgangs ohne Einbeziehung der Funktion des Kollektors und
    Figur 2
    schematisch eine geometrische Ausgestaltung der Funkenstrecke gemäß Figur 1 im Schnitt mit Darstellung des Kollektors.
  • Aus Figur 1 wird der Aufbau der erfindungsgemäßen Funkenstrecke deutlich. Diese weist eine Anode 11 und eine Kathode 12 auf. Zwischen die Anode 11 und die Kathode 12 ist ein Mittelstück 13 geschaltet, so dass zwei Funkenstrecken, nämlich eine Hochdruck-Funkenstrecke 14 und eine Nutz-Funkenstrecke 15, entstehen. Außerdem ist das Mittelstück 13, welches als Anode für die Nutz-Funkenstrecke 15 fungiert, über eine Leitung 16 und dem Widerstand 17 hochohmig an das Anodenpotential angebunden.
  • Für die Hochdruck-Funkenstrecke, für die eine Gasfüllung mit hohem Druck verwendet wird, bildet das Mittelstück 13 die Kathode. Als Füllgase für die Hochdruck-Funkenstrecke können Edelgase als Füllgase verwendet werden. Die HochdruckFunkenstrecke zeigt das definierte Schaltverhalten 18, wobei bei einem definierten Spannungsanstieg U mit bekannter Steilheit der Schaltpunkt nach einer definierten Zeit t erreicht wird. Mit dem Schaltpunkt (ts/Us) kann der Schaltzeitpunkt der Nutz-Funkenstrecke vergleichsweise genau vorhergesagt werden. Wie bereits erläutert, steht im Falle des Schaltens der Hochdruck-Funkenstrecke nämlich das notwendige Schaltpotential zur Schaltung der Nutz-Funkenstrecke 15 sofort zur Verfügung. Durch die niederohmige Charakteristik der Nutzfunkenstrecke 14 hat im Schaltzeitpunkt der Nutzfunkenstecke 14 das Mittelstück 13 Kathodenpotential. Am Widerstand 17 liegt nun die volle Spannung zwischen Kathode und Anode an. Es fließt ein durch den Widerstandswert von Widerstand 17 definierter Strom durch den Widerstand. Die parasitären Induktivitäten des Widerstandes 17 reduzieren den systembedingten Stromfluss durch den Widerstand 17 zusätzlich. Durch den steilen Spannungsanstieg zwischen dem Zwischenstück 13 und der Anode 11 wird das Überschlagsverhalten der Nutzfunkenstrecke 15 so positiv beeinflusst, dass zum Überschlagszeitpunkt der Nutzfunkenstrecke 15 eine deutlich höhere Spannung anliegt, als dies durch eine konventionelle Zündung mit niedrigem Spannungsanstiegsgradienten möglich wäre. Die Schaltung der Nutz-Funkenstrecke 15 zum Zeitpunkt ts ist ungefähr t0, da der Spannungsanstieg bedingt durch die niedrige Induktivität der Anordnung extrem steil ist. Das notwendige Schaltpotential Us der Nutzfunkenstrecke 15 wird durch den extrem steilen Spannungsgradienten deutlich übertroffen Im Ergebnis liegt an der Nutzfunkenstrecke innerhalb sehr kurzer Zeit (Nanosekunden), eine deutlich über der Zündspannung liegenden Spannung an. Damit bildet sich ein starker Überschlag durch die Anode hindurch aus. Die Durchbruchspannung der Nutzfunkenstrecke 15 ist durch diese Anordnung nicht mehr vorrangig von Us abhängig, die im wesentlichen durch die Geometrie und dem Vakuum abhängig ist, sonder von der von außen angelegten Anodenspannung und der entsprechenden Auslegung der Hochdruckfunkenstrecke 14. Die Dauer der Entladung der Nutzfunkenstrecke ist bestimmt durch die Kapazität der Anordnung und der darin gespeicherten Energie und den parasitären Induktivitäten im Aufbau.
  • Der Figur 2 lässt sich entnehmen, dass die Anordnung der Anode 12, des Mittelstücks 13, der Kathode 11 und eines Kollektors 21 koaxial aufgebaut ist. Außerdem sind alle diese Bauteile auch zentralsymmetrisch zur gemeinsamen Achse 22 des koaxialen Aufbaus. Die Hochdruck-Funkenstrecke ist in einem ersten Gehäuse 23 untergebracht, wobei das erste Gehäuse mit einem geeigneten Arbeitsgas mit dem geforderten Druck befüllt werden kann (Befüllvorrichtung nicht näher dargestellt). Die Nutz-Funkenstrecke 15 befindet sich gemeinsam mit dem Kollektor 21 in einem zweiten Gehäuse 24, welches evakuiert ist. Dieses zweite Gehäuse weist auch ein Fenster 25 auf, durch das Röntgenstrahlung 26 aus dem Gehäuse ausgekoppelt und einer Anwendung zugeführt werden kann.

Claims (6)

  1. Funkenstrecke mit einer als Target zur Erzeugung von Röntgenstrahlung ausgebildeten Anode (11) und einer Kathode (12),
    wobei
    • die Funkenstrecke eine Hochdruck-Funkenstrecke (14) und eine Nutz-Funkenstecke (15) aufweist, welche durch ein Mittelstück (13) miteinander verbunden sind,
    • die Hochdruck-Funkenstrecke (14) zwischen der Kathode (12) und dem Mittelstück (13) ausgebildet ist,
    • das Mittelstück (13) über eine Leitung (16), in der ein elektrischer Widerstand (17) vorgesehen ist, mit der Anode (11) verbunden ist und
    • die Nutz-Funkenstrecke (15) zwischen dem Mittelstück (13) und der Anode (11) ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Hochdruck-Funkenstrecke (14) in einem ersten Gehäuse (23) untergebracht ist und die Nutz-Funkenstrecke in einem evakuierbaren zweiten Gehäuse (24) untergebracht ist, in dem auch die Anode (11) in Form einer Metallfolie und ein Kollektor (21) vorgesehen ist und aus dem die Röntgenstrahlung ausgekoppelt werden kann.
  2. Funkenstrecke nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Widerstand einen Wert von 100 bis 1000 MΩ aufweist.
  3. Funkenstrecke nach Anspruch 1 oder 2
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Widerstand einen Induktivitätsbelag aufweist.
  4. Funkenstrecke nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Anode (11) aus einer Metallfolie aus Aluminium oder einem anderen Leichtmetall mit einer Dichte unterhalb von 5 g/cm3 als Targetmaterial gebildet ist.
  5. Funkenstrecke nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Anode (11), das Mittelstück (13) und die Kathode (12) koaxial angeordnet sind.
  6. Funkenstrecke nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Anode (11), das Mittelstück (13) und die Kathode (12) zentralsymmetrisch zur gemeinsamen Achse ausgebildet sind.
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